难以预报的雷暴
雷暴,是一种局部性的强烈风暴,通常伴随打雷、闪电、强降雨、冰雹、大风以及气温的突然变化。发展中的雷暴内部包含一股强烈而局域性的垂直上升气流,这种气流可以被地基天气雷达探测到,并用于支持实时天气预报和强雷暴预警系统。
根据世界气象组织(WMO)的数据,在2010年至2019年间,雷暴及其相关灾害在全球范围内导致了约3万人死亡,并造成了大约5000亿美元的经济损失。正因如此,提升对雷暴的预报能力具有重要意义。
人们早已知道,雷暴更容易在温暖、潮湿且空气不稳定的日子里形成。借助现有手段,科学家可以提前约4~5小时预测雷暴的触发。然而,这些预报只能将风暴发生地点判断到距其实际触发位置约200千米的范围内。也就是说,直至今日,要准确预测单个风暴会在何处触发,仍然是一个根本性的难题。
在一项新发表于《自然》杂志的研究中,一个研究团队利用欧洲空间局(ESA)的卫星提供的高分辨率云顶温度数据,分析了在2004到2024年间,撒哈拉以南非洲的220万次雷暴触发事件。他们发现,决定一团看起来无害的云是否会发展成危险雷暴的,是大气中的风况与土壤湿度的空间变化之间的相互作用。
土壤湿度与风切变
我们知道,如果某一区域的土壤比周围区域更湿润,蒸发就会使近地表的空气冷却。而在更干燥区域的上空,空气受热会更强,地表气压更低。因此,这种土壤湿度的差异会产生近地面风,近地表空气会从较湿的区域流向较干的区域。
然而,离地面几千米高度处的风向,在很大程度上由大尺度天气系统决定,通常基本不受局部土壤湿度影响。目前,大尺度的气团运动已可以被相当准确地计算出来。但雷暴形成于约几千米量级的中等空间尺度——这恰恰是当前模型的极限所在。
雷暴正在形成。(图/TU Wien)
在新的研究中,研究人员将雷暴与土壤湿度和垂直风切变(描述了风速和风向随高度发生的变化)直接联系了起来。他们的研究揭示了三项关键的发现:
1、土壤湿度对雷暴触发的影响程度,与垂直风切变的强度成正比。
2、究竟是局部较干的土壤还是局部较湿的土壤更有利于雷暴触发,取决于风向切变:如果低空和中层的风向大致一致(正方向性风切变),雷暴往往倾向于在湿润土壤上方触发;但如果低层和中层的风向彼此相反(负方向性风切变),雷暴触发则往往发生在干燥土壤上方。
3、如果土壤湿度的空间梯度与方向性风切变的组合有利于雷暴触发,那么就会更快地形成最强烈的雷暴,产生更多闪电,并带来更大的累积降雨量。
通过将土壤湿度数据与垂直风切变数据结合起来,研究人员表示,他们将最强烈雷暴的触发位置定位到了约10~40千米的范围内,触发时间则可以被锁定到约15~60分钟的范围内。
更精准的雷暴预报
研究团队利用独立的数据集对这一模型进行了验证。卫星图像显示,云体的快速增长恰好出现在模型所预测的位置。闪电观测则证实:当近地面风与高空风方向相反时,最强烈的雷暴更倾向于形成在相对较干土壤区域的上空。
总体而言,这些发现推进了大气科学家对这样一个问题的理解:为什么在一些大尺度区域内,尽管整体大气条件普遍都有利于雷暴触发,雷暴却只会在其中某些特定地点开始形成。
了解哪些土壤湿度与风切变的组合更有利于雷暴形成,将有助于预报员更准确地预测风暴发生的位置和时间,而且这种预测时间尺度与交通、能源、农业以及雨洪管理系统等人类活动密切相关。这是一类当前区域天气预报和气候模型尚无法提供的宝贵信息。
#参考来源:
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/news-articles/news/gefaehrliche-gewitter-bessere-modelle-durch-bodenfeuchte-daten
https://www.ceh.ac.uk/press/thunderstorms-dont-just-appear-out-thin-air-say-scientists
https://www.nature.com/articles/d41586-026-00376-4
https://www.rmets.org/metmatters/what-are-convective-storms
#图片来源:
封面图&首图:bogitw / Pixabay
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